Диссертация (1090890), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Наличие областей сосуществованиядвух и трех жидких фаз позволяет рассматривать сочетание ректификации срасслаиванием как один из вариантов преодоления указанных выше ограничений парожидкостного равновесия с целью получения всех компонентов исходной смеси в чистом виде.Как известно, при осуществлении ректификации многокомпонентнойсмеси отдельные её компоненты могут полностью переходить в кубовый продукт или в дистиллят или же присутствовать в обоих продуктовых потоках. Врамках термодинамико-топологического анализа принято выделять из множества возможных вариантов разделения два предельных случая так называемойчёткой ректификации [166]:1) полное выделение в дистиллят компонента или азеотропа с минимальной температурой кипения (первое заданное разделение);2) полное выделение в куб компонента или азеотропа с максимальнойтемпературой кипения (второе заданное разделение).Данная глава посвящена выявлению роли расслаивания при разделениимногокомпонентных многофазных смесей и анализу взаимосвязи структурыфазовой диаграммы четырехкомпонентных систем: н-гексан (Гн) – циклогексан(ЦГ) – фурфурол (Ф) – вода (В), н-гептан (Гп) – циклогексан (ЦГ) – фурфурол(Ф) – вода (В), н-октан (О) – циклогексан (ЦГ) – фурфурол (Ф) – вода (В) соструктурой комплекса разделения смесей разного состава.763.1.
Математическое моделирование фазовых равновесий вчетырехкомпонентных системахОчередность выделения компонентов или фракций из многокомпонентнойсмеси заданного состава однозначно определяется структурой диаграммы фазового равновесия. Ранее в работах [2, 167] было изучено парожидкостное равновесие, равновесие жидкость-жидкость, растворимость в тройных составляющихрассматриваемых систем, а именно: н-гексан – фурфурол – вода, н-гептан –фурфурол – вода, н-октан – фурфурол – вода и циклогексан – фурфурол – вода.Установлено, что указанные тройные системы содержат помимо областейдвухфазного расслаивания обширную область равновесия трех жидких фаз.Как следует из справочной информации [2, 158], четырехкомпонентныесистемы характеризуются наличием азеотропов:- система н-гексан – циклогексан – фурфурол – вода содержит три бинарных гетероазеотропа;- системы н-гептан (н-октан) – циклогексан – фурфурол – вода содержатчетыре бинарных и один тройной гетероазеотроп.Анализ соотношения температур кипения азеотропов и чистых компонентов позволил определить типы особых точек, число областей дистилляции ивыделить сепаратрические многообразия.
Типы и индекс Пуанкаре всех особыхточек исследуемых систем относительно развертки (границы тетраэдра) и объема концентрационного симплекса представлены в табл. 3.1. Алгебраическаясумма индексов особых точек относительно границы и тетраэдра равна 2 и 0,соответственно, что находится в полном соответствии с правилом азеотропии[159]. Отсутствие четырехкомпонентного азеотропа в системах проверено пометодике, предложенной в работе [152].77Таблица 3.1.Проверка выполнения правила азеотропии относительно развертки тетраэдраи объема тетраэдраОтносительно разверткиОтносительно объемаОсобая точкаИндекс ПуИндекс ПуТипТипанкареанкаресистема н-гексан (Гс) – циклогексан (ЦГ) – фурфурол (Ф) – вода (В)ГсCN10ЦГCN10устустФN1+1N1+1устустВN1+1N1+1неустнеустГс - ВN2+1N2-1ЦГ - ВCN20Ф-ВC2-1C2-1∑i = 2∑i = 0системы н-гептан (Гп) – циклогексан (ЦГ) – фурфурол (Ф) – вода (В),н-октан (О) – циклогексан (ЦГ) – фурфурол (Ф) – вода (В)Гп (О)N1уст+1N1уст+1ЦГCN10устустФN1+1N1+1устустВN1+1N1+1Гп (О) - ФC2-1C2-1Гп(О) - ВC2-1C2-1неустнеустЦГ - ВN2+1N2-1Ф-ВC2-1C2-1неустГп (О) - Ф - ВN3+1С3+1∑i = 2∑i = 0Таким образом, можно сделать вывод, что структура фазовой диаграммыявляется термодинамически верной.
На рис. 3.1 показаны граничные поверхности тетраэдров с расположением особых точек и областей расслаивания.При моделировании равновесия жидкость – пар и жидкость – жидкостьиспользовали параметры уравнения NRTL как содержащиеся в базе данныхспециализированного программного комплекса, так и оцененные нами по экспериментальным данным для составляющей н-гептан – фурфурол (табл. 3.2).Последнее связано с тем, что применение параметров, имеющихся в программном комплексе, удовлетворительно описывает равновесие жидкость-жидкостьжидкость в тройной системе н-гептан – фурфурол - вода, но не моделирует78наличие реально существующих бинарного (н-гептан – фурфурол) и тройногогетеазеотропов (н-гептан – фурфурол - вода) [2].
С целью улучшения описанияотдельно проведена оценка параметров уравнения NRTL по экспериментальным данным парожидкостного равновесия (ПЖР) для составляющей н-гептан –фурфурол. При моделировании с параметрами, оцененными по данным ПЖР,воспроизводится структура фазовой диаграммы системы н-гептан – фурфурол –вода (азеотропия, расслаивание).(а)(б)(в)Рис. 3.1. Развертка тетраэдра системы а) н-гексан – циклогексан – фурфурол – вода, б) нгептан – циклогексан – фурфурол – вода, в) н-октан – циклогексан – фурфурол – вода.79Таблица 3.2.Параметры бинарного взаимодействия уравнения NRTLПараметры бинарного взаимодействияАijАjiBij (K)Bji (K)Сijн-гексан – циклогексан00-100.144 143.4110.3061н-гексан – фурфурол-2.9757 -0.7813 1529.096 707.34960.2н-гексан – вода00151230400.2н-гептан – циклогексан00-13.636 31.35550.3024н-гептан – фурфурол*-3.00422 -0.26458 1676.164 514.9026 0.248851н-гептан – вода*-9.8652 10.546 8 4795.66 440.77750.2н-октан – циклогексан00-333.132 482.9905 0.2288н-октан – вода-12.0351.2166 5381.434 2997.7010.2циклогексан – фурфурол -1.3399 -3.8477 700.5334 1870.4610.2циклогексан – вода-10.4585 13.1428 4954.897 -1066.980.2фурфурол – вода112.5552.8289-4100-28200.2Примечание: * - параметры оценивались самостоятельно.Бинарная составляющаяАдекватность математической модели проверялась сравнением полученных расчетных данных по азеотропии и составам равновесных слоев со справочными экспериментальными данными (табл.
3.3, 3.4). Моделирование парожидкостного равновесия осуществлялось при давлении 101,3 кПа, а равновесияжидкость-жидкость-жидкость при 20 °С.Таблица 3.3.Сравнение экспериментальных и расчетных данных по составам итемпературам кипения бинарных и тройных азеотропов и взаимнойрастворимости компонентов системы систем н-гексан (н-гептан, н-октан) –циклогексан – фурфурол – вода при 101,3 кПаСоставляющаян-гексан –водан-гептан –водан-октан –водациклогексан –водаТемпература, °ССостав азеотропа, мол.д.эксп.эксп.расч.расч.[2,158][2,158]Бинарные азеотропы0.790.789861.661.430.210.21020.5460.54780.179.220.4540.4530.3290.319490.489.570.6710.68060.70.69969.569.490.30.30180Продолжение таблицы 3.3Температура, °ССостав азеотропа, мол.д.Составляющаяэксп.эксп.расч.расч.[2, 158][2, 158]0.9450.9499н-гептан –98.398.16фурфурол0.0550.05010.7750.7526н-октан –120.3118.59фурфурол0.2250.24740.0920.0796фурфурол –97.998.45вода0.9080.9204Тройные азеотропы0.5350.541н-гептан–фурфурол –79.779.210.0300.008вода0.4350.4510.2730.2883н-октан –фурфурол –90.288.730.0540.0752вода0.6730.6365Составы равновесных жидких слоев при 20 °С, 101,3 кПаУглеводородный слойВодный слойСоставляющаяэксп.[24]расч.эксп.[24]расч.н-гексан –0,99960,9984< 0,0001< 0,0001вода0,00040,00160,99990,9999н-гексан –0,93300,95490,04600,0678фурфурол0,06700,04510,95400,9322н-гептан –0,99950,9995< 0,0001< 0,0001вода0,00050,00050,99990,9999н-гептан –0,94430,96830,0541080,0882фурфурол0,05570,03170,9458920,9118н-октан –0,99950,9994< 0,0001< 0,0001вода0,00050,00060,99990,9999н-октан –0,9580,032нетнетфурфуролданныхданных0,0420,968циклогексан –0,99950,9996< 0,0001< 0,0001вода0,00050,00040,99990,9999циклогексан –0,87780,0478нетнетфурфуролданныхданных0,12220,9522фурфурол –0,7770,7910,0160,017вода0,2330,2090,9840,983Примечание: температуры кипения чистых веществ, определенные по уравнениюАнтуана при давлении 101.3 кПа: н-гексан – 68.7°С, н-гептан – 98.4 °С, н-октан – 125.7 °С,циклогексан –80.78 °С, фурфурол – 161.4 °С, вода – 100 °С.81Таблица 3.4.Составы равновесных жидких фаз исследуемых трехкомпонентных системпри T=20 °С, P=101.3 кПаКомпонентн-гексанфурфуролводан-гептанфурфуролводан-октанфурфуролводациклогексанфурфуролводаУглеводородныйВодный слой,Фурфурольныйслой, мол.д.мол.д.слой, мол.д.эксп.[2]расч.эксп.[2] расч.
эксп.[2]расч.система н-гексан – фурфурол – вода0.9640.961следыследы0.010.0460.0360.0360.0160.0160.7910.765следы0.0030.9840.9840.1980.190система н-гептан – фурфурол – вода0.9650.974следыследы0.0090.0460.0350.0250.0160.0150.8090.777следыследы0.9840.9850.1820.177система н-октан – фурфурол – вода0.9660.965следыследы0.0080.0220.0340.0340.0160.0160.8150.778следы0.0010.9840.9840.1770.200Система циклогексан – фурфурол – вода0,904следы0,0310,0940,0160,7750,0020,9840,1943.2.
Термодинамико-топологический анализ структур фазовых диаграмм исинтез принципиальных технологических схем разделения смесейТермодинамико-топологический анализ позволил выявить следующиеособенности структур диаграмм парожидкостного равновесия четырехкомпонентных систем:- система н-гексан – циклогексан – фурфурол – вода имеет две области дистилляции, которые сформированы пучками дистилляционных линий, начинающихся в бинарном гетероазеотропе н-гексан – вода и заканчивающихся в точках чистых компонентов (вода, фурфурол);- системы н-гептан (н-октан) – циклогексан – фурфурол – вода имеют триобласти дистилляции, которые сформированы пучками дистилляционных линий, начинающихся в бинарном гетероазеотропе циклогексан – вода и заканчивающихся в точках чистых компонентов (н-гептан (н-октан), вода, фурфурол).82Области дистилляции отделены друг от друга сепаратрическими многообразиями, структура которых приведена на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
